KR20210097343A - 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는 자석(111)이 구비된 회전날개(110)가 부착되는 회전축(120)을 구비하는 터빈(100); 해상에 떠있는 부유체(200); 부유체(200)의 상부와 연결되어 부유체(200)의 승강에 따라 함께 승강하는 자석체(300); 부유체(200)를 수용하고, 일측부에는 해수가 유입되고 배출되는 개구부(410)가 형성되는 부유체하우징(400); 및 터빈(100)의 회전축(120)과 연결되어 회전축(120)의 회전운동에 따른 운동에너지를 이용해 전기를 생산하는 발전기(500)를 포함하고, 개구부(410)를 통해 해수가 부유체하우징(400)으로 유입되면 부유체하우징(400) 내 부유체(200)가 상승하고 부유체(200)의 상승에 따라 함께 상승하는 자석체(300)에 의해 자석체(300)와 같은 극성을 갖는 자석(111)이 구비된 회전날개(110)가 자석체(300)와 멀어지는 방향으로 움직임으로써 터빈(100)의 회전축(120)을 회전시키며 회전축(120)의 회전 따른 운동에너지를 통해 발전기(500)에 의해 전기가 생산되도록 동작한다.

Description

해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치{POWER GENERATOR USING POTENTIAL ENERGY OF SEAWATER AND MAGNETIC ENERGY}
본 발명은 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치에 관한 것이다.
20세기 중반 이후 지구환경에 대한 관심이 높아지면서 기존의 화석연료를 대체할 친환경에너지 개발에 대한 논의가 활발히 전개되고 있다. 또한 화석연료 고갈에 대한 우려가 증대되는 가운데 유가 등 주요 에너지가격이 최근 수년간 급등하면서 새로운 에너지원을 개발하기 위한 세계적 관심 및 투자가 크게 증가되고 있다. 하지만, 에너지자급도가 낮은 우리나라의 경우 새로운 에너지의 개발 필요성이 매우 높으나 기반조성이 미흡한 실정이다.
이러한 대내외 환경을 감안하여 친환경발전시스템에 대한 관심이 대두되고 있는데 이 중 파력발전이 있다. 파력발전은 파도(파랑)의 운동에너지와 위치에너지를 전기에너지로 변환하는 발전방식을 사용한다. 작동원리에 따라 가동물체형, 진동수주형, 월파형으로 나누고 설치형태에 따라 착저식(해저고정식), 부유식 등으로 분류할 수 있다.
수면의 움직임에 따라 민감하게 반응하는 물체의 움직임을 전기에너지로 변환하는 가동물체형은 파력에너지를 직접 이용하므로 에너지 효율이 높지만 파력발전기가 파력에 직접 부딪힘으로써 구조물의 내구성이 매우 취약하다는 단점이 있다. 파력에너지를 공기의 흐름으로 변환하여 이를 전기에너지로 변환하는 방식인 진동수주형은 발전효율이 월파형에 비해 높고 파랑의 형태와 무관하게 발전이 가능하다는 장점이 있으나 파랑의 변동성을 제어하기 어렵다는 단점이 존재한다. 파력의 진행방향 전면에 비탈면을 두어 파랑에너지를 위치에너지로 변환하여 전기에너지를 생산하는 월파형은 일정 수위 이상에서만 전기 생산이 가능하다는 단점이 있다. 나아가, 착저식은 실린더 모양의 공간 안에서 파도의 오르내림에 의해 전기를 생산하는 방식이고, 부유식은 부유불체의 불규칙적 흔들림과 상하이동을 통해 전기를 생산하는 방식이다.
한편, 파력발전은 소규모 발전이 가능하며, 발전기가 방파제로 활용될 수 있고, 한 번 설치해 놓으면 거의 영구적으로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 또한 조력발전, 조류발전 등 다른 해양에너지 발전에 비해 비교적 입지의 영향을 덜 받으며, 잠재적인 부존량이 9TW~20TW로 추정된다. 파력발전은 공해를 유발하지 않는 친환경 발전이라는 이점이 있다. 파력발전의 단점으로는 파랑이 풍력에 비해 전기발생 출력변동이 심해 대규모 발전에 제약이 있으며, 현재의 기술로는 초기 제작비가 많이 들어가 발전단가가 높다는 단점이 있다.
대한민국특허청 공개특허공보 제10-2019-0128861호 대한민국특허청 등록특허공보 제10-2002374호
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 파도에 의한 해수의 위치에너지뿐만 아니라 부유체에 연결된 자석의 자기에너지를 이용하여 더 많은 양의 전기를 생산하는 발전장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 부유체를 수용하는 하우징을 두고 하우징의 측면부에 일정 직경의 개구부를 두어 일정량 이상의 해수가 유입되지 않도록 함으로써 부유체의 유실을 막고 부유체의 내구성을 향상시키는 발전장치를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는 자석(111)이 구비된 회전날개(110)가 부착되는 회전축(120)을 구비하는 터빈(100); 해상에 떠있는 부유체(200); 부유체(200)의 상부와 연결되어 부유체(200)의 승강에 따라 함께 승강하는 자석체(300); 부유체(200)를 수용하고, 일측부에는 해수가 유입되고 배출되는 개구부(410)가 형성되는 부유체하우징(400); 및 터빈(100)의 회전축(120)과 연결되어 회전축(120)의 회전운동에 따른 운동에너지를 이용해 전기를 생산하는 발전기(500)를 포함하고, 개구부(410)를 통해 해수가 부유체하우징(400)으로 유입되면 부유체하우징(400) 내 부유체(200)가 상승하고 부유체(200)의 상승에 따라 함께 상승하는 자석체(300)에 의해 자석체(300)와 같은 극성을 갖는 자석(111)이 구비된 회전날개(110)가 자석체(300)와 멀어지는 방향으로 움직임으로써 터빈(100)의 회전축(120)을 회전시키며 회전축(120)의 회전 따른 운동에너지를 통해 발전기(500)에 의해 전기가 생산되도록 동작한다.
바람직하게는, 부유체(200)와 자석체(300)는 연결부(600)를 통해 연결되는데, 연결부(600)의 일단은 부유체(200)의 상부와 연결되고 타단은 자석체(300)의 하부와 연결되며, 연결부(600)는 부유체하우징(400)의 상부에 형성된 홀(420)을 관통하도록 설치되어, 부유체(200)의 상승에 따라 홀(420)을 관통하여 상승한다.
바람직하게는, 상기 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는 복수 개의 터빈(100)을 포함하고, 부유체(200)에는 복수 개의 자석체(300)가 연결되고, 복수 개의 자석체(300)는 서로 일정 거리만큼 이격된 채 수평연결부(700)에 의해 서로 연결되며, 복수 개의 자석체(300) 각각은 복수 개의 터빈(100) 각각에 자력이 작용하도록 설치된다.
바람직하게는, 상기 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는 복수 개의 터빈(100), 복수 개의 부유체(200), 복수 개의 자석체(300) 및 복수 개의 부유체하우징(400)을 포함하고, 상기 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는, 복수 개의 터빈(100)과 발전기(500)를 수용하며 해수가 유입되지 않도록 하는 방수구조체(800)를 더 포함한다.
바람직하게는, 회전날개(110)의 날개축(112) 일단과 자석(111)은, 터빈(100)의 회전축(120)이 일방향으로만 회전하도록, 서로 일정 각도를 이루며 연결되고, 터빈(100)과 자석체(300)는, 터빈(100)의 회전축(120)이 일방향으로만 회전하도록, 해수면에 평행하는 방향으로 터빈(100)의 중심점과 자석체(300)의 중심점이 일정 거리만큼 서로 이격된 채 설치된다.
본 발명은 파도에 의한 해수의 위치에너지뿐만 아니라 부유체에 연결된 자석의 자기에너지를 이용하여 더 많은 양의 전기를 생산하는 발전장치를 제공할 수 있다.
본 발명은 부유체를 수용하는 하우징을 두고 하우징의 측면부에 일정 직경의 개구부를 두어 일정량 이상의 해수가 유입되지 않도록 함으로써 부유체의 유실을 막고 부유체의 내구성을 향상시키는 발전장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 하나의 부유체에 복수 개의 자석체가 구비되는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 복수 개의 터빈과 부유체를 구비하는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
그리고 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 구성과 동작에 대하여, 이하 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치(이하, “본 발전장치”라 한다)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발전장치는 터빈(100), 부유체(200), 자석체(300), 부유체하우징(400) 및/또는 발전기(500)를 포함한다.
터빈(100)은 같은 극성을 갖는 자석 사이의 척력으로부터 에너지를 추출하여 유용한 일로 변환하는 회전식 기계장치이다. 터빈에는 회전날개(110)가 부착된 회전축(120)이 있는데, 같은 극성을 갖는 자석이 회전날개(110)에 힘을 작용하여 회전날개(110)가 움직임으로써 회전축(120)에 운동에너지를 전달하게 된다. 자석은 자기에너지를 갖고 있다. 터빈은 이 에너지를 반동력이나 충동력 등의 물리적인 원리로 일로 변환시킨다. 터빈(100)은 회전날개(110)와 회전축(120)으로 구성되는데, 회전날개(110)에는 자석(111)이 구비된다.
부유체(200)는 물에 뜨는 소재로 이뤄진 물체로서, 해상에 떠있는 성질을 갖는다.
자석체(300)는 자석으로 이뤄진 물체로서, 부유체(200)의 상부와 연결되어 부유체(200)의 승강에 따라 함께 승강한다. 자석체(300)는 회전날개(110)에 구비되는 자석(111)과 같은 극성을 갖는다. 예를 들어, 자석체(300)와 자석(111)은 모두 N극의 성질을 갖고 있을 수 있다.
부유체하우징(400)은 부유체(200)를 싸서 보호하는 일종의 틀로서, 부유체(200)를 수용하고, 부유체하우징(400)의 일측부에는 해수가 유입되고 배출되는 개구부(410)가 형성된다. 이때, 개구부(410)는 일정 직경을 갖는 원형으로 형성될 수 있고 이에 따라 파도에 의해 개구부(410)의 위치보다 해수면이 높아지더라도 제한된 양의 해수만 부유체하우징(400) 내부로 유입되므로 부유체하우징(400) 내부의 부유체(200)가 손상되는 것을 막을 수 있다.
발전기(500)는 터빈(100)의 회전축(120)과 연결되어 회전축(120)의 회전운동에 따른 운동에너지를 이용해 전기를 생산한다. 발전기(500)는 직류발전기 또는 교류발전기에 해당할 수 있고 발전기(500)의 동작에 대한 내용은 공지기술에 해당하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
한편, 부유체(200)와 자석체(300)는 연결부(600)를 통해 연결되는데, 연결부(600)의 일단은 부유체(200)의 상부와 연결되고 타단은 자석체(300)의 하부와 연결된다. 이때, 연결부(600)는 단단한 막대의 형상과 성질을 가지고 있어 부유체(200)의 위치변화를 자석체(300)에 그대로 전달한다. 연결부(600)는 부유체하우징(400)의 상부에 형성된 홀(420)을 관통하도록 설치되며, 부유체(200)의 승강에 따라 홀(420)을 관통하여 승강한다.
터빈(100)의 회전날개(110)는 자석(111)과 날개축(112)로 구성되는데, 날개축(112)의 일단과 자석(111)은, 터빈(100)의 회전축(120)이 일방향으로만 회전하도록, 서로 일정 각도를 이루며 연결된다. 자석(111)이 날개축(112)과 너무 큰 각으로 연결되거나 너무 작은 각으로 연결되면 터빈(100)이 시계추처럼 주기적으로 회전방향이 바뀌게 되거나, 자석체(300)의 자기에너지가 온전히 터빈(100)에 전달되지 않을 수 있다. 이러한 상황이 발생하지 않도록, 날개축(112)의 일단과 자석(111)은, 후술할 자석체(300)와 터빈(100)의 설치위치까지 고려하여, 특정 각도로 연결된다.
그리고, 터빈(100)과 자석체(300)는, 터빈(100)의 회전축(120)이 일방향으로만 회전하도록, 해수면에 평행하는 방향으로 터빈(100)과 자석체(300) 각각의 중심점이 일정 거리만큼 서로 이격된 채 설치된다. 즉, 터빈(100)이 회전함에 따라, 터빈(100)의 회전날개(110)의 끝단(자석(111)의 끝단)이 자석체(300)의 일단과 해수면을 기준으로 수직선상에 이르기 시작할 때부터 자석체(300)의 타단과 해수면을 기준으로 수직선상에 이르기까지의 기간동안 터빈(100)이 일방향으로만 회전할 수 있게 하는 상대적 위치에 터빈(100)과 자석체(300)가 설치된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 파도에 의해 해수는 개구부(410)를 거쳐 부유체하우징(400) 내부로 유입되고 부유체하우징(400) 내부의 수면이 상승함에 따라 부유체(200)도 상승하게 된다. 도 1은 해수가 부유체하우징(400) 내부로 유입되기 전의 부유체(200) 위치를 나타내고, 도 2는 해수가 부유체하우징(400) 내부로 유입된 후 부유체(200)의 위치를 나타낸다.
보다 구체적으로, 개구부(410)를 통해 해수가 부유체하우징(400)으로 유입되면 부유체하우징(400) 내 부유체(200)가 상승하고 부유체(200)의 상승에 따라 함께 상승하는 자석체(300)에 의해, 자석체(300)와 같은 극성을 갖는 자석(111)이 구비된 회전날개(110)가 자석체(300)와 멀어지는 방향으로 움직인다. 회전날개(110)의 이동은 터빈(100)의 회전축(120)을 회전시키며 회전축(120)의 회전 따른 운동에너지는 발전기(500)에 전달되고 최종적으로 발전기(500)에 의해 전기가 생산된다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 하나의 부유체에 복수 개의 자석체가 구비되는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발전장치는 복수 개의 터빈(100)을 포함한다. 그리고, 부유체(200)에는 복수 개의 자석체(300)가 연결되고, 복수 개의 자석체(300)는 서로 일정 거리만큼 이격된 채 수평연결부(700)에 의해 서로 연결된다. 이때, 수평연결부(700)는 자석체(300)의 하부면에 연결되며 단단한 막대의 형상과 성질을 갖는다.
복수 개의 자석체(300) 각각은 복수 개의 터빈(100) 각각에 자력이 작용하도록 설치되는데, 하나의 자석체(300)가 하나의 터빈(100)에 자기에너지를 전달하도록 설치된다.
이로써, 부유체(200) 하나로 복수 개의 터빈(100)을 운용할 수 있게 되므로 보다 효율적으로 전기를 생산할 수 있고 더 많은 용량의 전기를 생산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 복수 개의 터빈과 부유체를 구비하는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발전장치는 복수 개의 터빈(100), 복수 개의 부유체(200), 복수 개의 자석체(300) 및 복수 개의 부유체하우징(400)을 포함한다. 이로써, 하나의 발전장치를 통해 대용량의 전기를 생산할 수 있다.
또한, 본 발전장치는 방수구조체(800)를 더 포함하는데, 방수구조체(800)는 복수 개의 터빈(100)과 복수 개의 발전기(500)를 수용한다. 이러한 방수구조체(800)는 콘크리트 구조로 이루어져 파도로 인해 터빈(100)이 유실되거나 파손되는 것을 막을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 자석체(300)의 상부에는 자력을 차단하는 소재(예를 들어, 고무)로 이루어진 덮개부(미도시)가 마련된다. 이러한 덮개부(미도시)는 탈부착 방식으로 설치되거나 힌지와 같은 고정수단에 의해 자석체(300)의 상부면을 개폐하는 식으로 설치될 수 있다.
이로써, 본 발전장치를 보수해야할 때는 덮개부(미도시)가 자석체(300)의 상부면을 덮어 자석체(300)로부터의 자력이 차단되도록 할 수 있고, 이를 통해 본 발전장치의 보수를 보다 수월하게 수행할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따르면, 발전기(500)는 파력발전시스템을 구성할 수 있고, 이러한 파력발전시스템은 파도의 에너지에 의한 선박 및 부유식 해양 구조물의 횡동요 운동을 자이로 안정기에 설치된 플라이휠의 회전관성과 결합하여 짐벌의 세차운동이 발생하게 되고, 이 짐벌축에 설치된 증속 기어를 통해 회전 속도가 증속이 되고, 발전기(500)를 구동할 수 있는 토크와 회전 속도가 발생됨에 따라 발전기(500)로부터 발전 전력을 얻는 메커니즘으로 구성된다. 즉, 파력발전시스템은 PCS 장치, 발전기(500), 기어박스, 회전방향전환장치 및/또는 자이로 안정기를 포함한다.
본 발명에 따른 자이로 안정기 짐벌의 세차 축 회전 각속도 및 세차 축 회전 속도는 각각 식 (1) 및 식 (2)로 주어진다.
Figure pat00001
여기서 알파는 1주기 당 세차 축 회전 각도를 나타낸다. 평균 파도의 주기를 4초, 자이로 세차 축 회전 반경을 120°로 고려한 자이로 안정기의 회전 각속도는 1.05rad/s로 결정되며, 세차 축 회전 각속도를 회전 속도로 변환하면 10rpm이 된다. 증속기어의 증속비를 20:1(발전기 축: 자이로 세차 축)로 고려한 발전기 정격에서의 분당 회전수는 200rpm으로 결정된다. 세차 축 회전 속도 10rpm에서 세차 축 토크가 6032N·m 이상의 수준의 토크가 발생되도록 자이로 안정기를 구성하였으며 이는 증속 기어(20:1, 증속 기어 효율 95%)를 고려하면 발전기 구동 토크가 286.5N·m 이상으로 발전기 용량을 6kW급 수준으로 설계하여야 함을 나타낸다.
본 파력발전시스템에 적용된 PCS의 정류기 출력 전압은 230Vdc ~ 650Vdc로 식 (3)에 따라 발전기 출력 상전압 실효값은 100V ~ 278V로 결정된다.
Figure pat00002
여기서 Vrms 및 Vdc는 각각 발전기 출력 상전압 실효값 및 정류기 출력 전압이다. PCS 장치의 입출력 과전압 범위는 최대 입출력 전압의 +10%의 전압까지 허용할 수 있도록 PCS 장치는 설계된다. 발전기(500)는 는 해상 환경의 영향으로 회전 속도가 일정하지 않다는 점을 고려하여 발전 가능 과속도(최고속도) 범위를 정격 속도 200rpm의 125% 수준의 250rpm까지 설정한다. 발전기(500)의 발전 전압은 회전속도에 비례하기 때문에 과속도(최고속도) 250rpm에서의 발전기 출력 상전압 실효값이 278V라면, 발전기 정격 속도 200rpm에서 발전기 출력 상전압 실효값이 222V 수준으로 발전되도록 설계한다.
발전기(500)는 자이로 안정기 짐벌의 세차 운동을 이용하여 운전되고 이에 따라 발전 전력을 얻는 메커니즘을 갖기 때문에 발전기(500)가 자이로 짐벌의 세차 운동에 의하여 구동이 되는 특성 및 본 파력발전시스템을 감안하여 발전기(500)는 정격 회전 속도 200rpm에서 6kW 이상의 정격출력값, 200rpm의 정격속도, 286.5Nm 이상의 발전기(500)의 축 토크값, 222V 이상의 발전전압(rms), 9.01A 이상의 발전전류(rms), 91% 이상의 정격조건에서의 효율을 만족하도록 설계된다. 상기 발전기(500)의 기본 요구 사양을 도출 후 식 (4)의 TRV(Torque per unit rotor volume)식을 적용하여 영구자석을 포함한 회전자 외경 및 적층 길이를 결정한다.
Figure pat00003
여기서 T는 발전기 구동에 필요한 토크, Dr 및 Lstk은 각각 회전자의 외경 및 회전자 적층 길이이다.
기본 설계 수순에 따라 발전기의 회전자 외경 및 적층 길이를 선정하였고, 발전기가 저속에서 운전되는 특징을 고려하여 다극 발전기를 구성한다. 회전자의 경우 외경은 영구자석의 두께를 포함하여 306mm와 적층길이는 170mm로 구성한다. 극수 선정에 가장 중요한 요소로 발전기 발전 운전 구간 100rpm~250rpm을 고려하여 극수는 40극으로 구성하였으며, 이에 따른 슬롯 수는 극당 상당 슬롯수가 2/5구조를 가지는 48슬롯을 선정하였다. 이를 바탕으로 고정자, 회전자 치수와 형상 및 권선사양을 결정하였다. 결정된 고정자 외경은 380mm, 회전자 외경은 294mm, 극수는 40개, 슬롯수는 48개, 위상당 직렬회전수는 352번으로 발전기(500)가 설계된다.
본 명세서에서는 기존 자이로 안정기에 발전기를 추가 구성하여 자이로 안정기의 플라이휠 구동에 소모되는 전력을 자가발전을 하여 부유식 해양 구조물의 소비 전력을 보상하고 추가로 전력을 저장할 수 있는 파력발전시스템에 적용되는 6kW급 영구자석 동기발전기(500)의 구성에 대해 설명하였다. 해상 환경 및 자이로 시스템의 사양을 통하여 발전기 정격용량, 발전 전압, 발전 전류, 정격 속도의 설계 기본 요구사양을 도출하였고, 과속도 기준을 제시함으로써 발전기 발전 운전 구간을 선정하였다. 최적의 발전기 요구 사양을 만족하기 위한 발전기 설계를 진행한 후 불규칙한 해상 환경에 의한 파력발전 특성을 파악하기 위하여 발전 운전 구간인 100~250rpm 및 2kW, 4kW, 6kW급 발전 부하 조건에서의 발전기 특성을 유한요소 해석을 통하여 수행하였고, 해석 조건과 동일한 부하 및 운전속도 조건에서 시험 평가를 수행하여 발전기 출력 및 효율특성을 검증하였다. 발전기 정격 조건인 6kW 부하조건 및 회전속도 200rpm에서의 해석 값과 시험 값의 비교 분석한 결과 설계 기본 요구 사양을 초과 만족하는 결과를 얻었고 발전 전압은 해석과 시험 값의 비교 결과 1.9%, 발전 전류는 2.1%, 출력은 4.2%, 효율은 0.1%의 오차로 높은 정확도를 보이며 최종 설계된 발전기의 설계 타당성 및 유한 요소 해석의 신뢰도가 높음을 검증하였다.
본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.
100: 터빈 200: 부유체 300: 자석체
400: 부유체하우징 500: 발전기 600: 연결부
700: 수평연결부 800: 방수구조체

Claims (5)

  1. 자석(111)이 구비된 회전날개(110)가 부착되는 회전축(120)을 구비하는 터빈(100);
    해상에 떠있는 부유체(200);
    부유체(200)의 상부와 연결되어 부유체(200)의 승강에 따라 함께 승강하는 자석체(300);
    부유체(200)를 수용하고, 일측부에는 해수가 유입되고 배출되는 개구부(410)가 형성되는 부유체하우징(400); 및
    터빈(100)의 회전축(120)과 연결되어 회전축(120)의 회전운동에 따른 운동에너지를 이용해 전기를 생산하는 발전기(500)를 포함하고,
    개구부(410)를 통해 해수가 부유체하우징(400)으로 유입되면 부유체하우징(400) 내 부유체(200)가 상승하고 부유체(200)의 상승에 따라 함께 상승하는 자석체(300)에 의해 자석체(300)와 같은 극성을 갖는 자석(111)이 구비된 회전날개(110)가 자석체(300)와 멀어지는 방향으로 움직임으로써 터빈(100)의 회전축(120)을 회전시키며 회전축(120)의 회전 따른 운동에너지를 통해 발전기(500)에 의해 전기가 생산되도록 동작하는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    부유체(200)와 자석체(300)는 연결부(600)를 통해 연결되는데, 연결부(600)의 일단은 부유체(200)의 상부와 연결되고 타단은 자석체(300)의 하부와 연결되며,
    연결부(600)는 부유체하우징(400)의 상부에 형성된 홀(420)을 관통하도록 설치되어, 부유체(200)의 상승에 따라 홀(420)을 관통하여 상승하는 것을 특징으로 하는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는 복수 개의 터빈(100)을 포함하고,
    부유체(200)에는 복수 개의 자석체(300)가 연결되고, 복수 개의 자석체(300)는 서로 일정 거리만큼 이격된 채 수평연결부(700)에 의해 서로 연결되며,
    복수 개의 자석체(300) 각각은 복수 개의 터빈(100) 각각에 자력이 작용하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는 복수 개의 터빈(100), 복수 개의 부유체(200), 복수 개의 자석체(300) 및 복수 개의 부유체하우징(400)을 포함하고,
    상기 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치는, 복수 개의 터빈(100)과 발전기(500)를 수용하며 해수가 유입되지 않도록 하는 방수구조체(800)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    회전날개(110)의 날개축(112) 일단과 자석(111)은, 터빈(100)의 회전축(120)이 일방향으로만 회전하도록, 서로 일정 각도를 이루며 연결되고,
    터빈(100)과 자석체(300)는, 터빈(100)의 회전축(120)이 일방향으로만 회전하도록, 해수면에 평행하는 방향으로 터빈(100)의 중심점과 자석체(300)의 중심점이 일정 거리만큼 서로 이격된 채 설치되는 것을 특징으로 하는 해수의 위치에너지와 자기에너지를 이용한 발전장치.
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